DE102017214857B4 - Toroidal core assembly, current-compensated choke and method for producing a toroidal core assembly - Google Patents
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Abstract
Ringkernbaugruppe mit:einem eine Öffnung (102, 402, 602,702) umschließenden Ringkern (101,401, 601, 701) mit einer zur Öffnung (102, 402, 602,702) ausgebildeten Innenfläche;eine in die Öffnung (102, 402, 602,702) eingesetzte Steganordnung aus oder mit zwei Stegelementen (110, 120, 410, 420, 430, 610, 620, 710, 720, 730, 740), wobeidie mindestens zwei Stegelemente (110, 120, 410, 420, 430, 610, 620, 710, 720, 730, 740) eine erste Seitenfläche (111, 121, 411, 421) und eine zweite Seitenfläche (112, 122) aufweisen, undmindestens zwei der mindestens zwei Stegelemente (110, 120, 410, 420, 430, 610, 620, 710, 720, 730, 740) mit den ersten Seitenflächen (111, 121, 411, 421) aufeinander liegen und mindestens zwei (110, 120, 410, 420, 430, 610, 620, 710, 720, 730, 740) der mindestens zwei Stegelemente (110, 120, 410, 420, 430, 610, 620, 710, 720, 730, 740) mit den zweiten Seitenflächen (112, 122) an verschiedenen Stellen an der Innenfläche (104, 405, 603, 703) anliegen, wobei mindestens zwei der Stegelemente (110, 120, 410, 420, 610, 620, 710, 720, 730) die geometrische Form eines dreiseitigen und geraden Prismas aufweisen.Toroidal core assembly with:a toroidal core (101,401, 601, 701) enclosing an opening (102, 402, 602,702) with an inner surface designed towards the opening (102, 402, 602,702);a web arrangement inserted into the opening (102, 402, 602,702) made of or with two web elements (110, 120, 410, 420, 430, 610, 620, 710, 720, 730, 740), wherein the at least two web elements (110, 120, 410, 420, 430, 610, 620, 710, 720, 730, 740) have a first side surface (111, 121, 411, 421) and a second side surface (112, 122), andat least two of the at least two web elements (110, 120, 410, 420, 430, 610, 620, 710, 720, 730, 740) lie on top of one another with the first side surfaces (111, 121, 411, 421) and at least two (110, 120, 410, 420, 430, 610, 620, 710, 720, 730, 740) of the at least two web elements (110, 120, 410, 420, 430, 610, 620, 710, 720, 730, 740) lie on top of one another with the second side surfaces (112, 122) rest at different points on the inner surface (104, 405, 603, 703), wherein at least two of the web elements (110, 120, 410, 420, 610, 620, 710, 720, 730) have the geometric shape of a three-sided and straight prism.
Description
Die Erfindung betrifft Ringkernbaugruppen, stromkompensierte Drosseln sowie Verfahren zur Herstellung von Ringkernbaugruppen.The invention relates to toroidal core assemblies, current-compensated chokes and methods for producing toroidal core assemblies.
Ringkernbaugruppen werden für viele Anwendungen benötigt und können beispielsweise neben einem eine Öffnung umschließenden Ringkern auch einen in die Öffnung des Ringkernes eingesetzten Steg aufweisen.
Beim Einsetzen eines Steges in die Öffnung des Ringkernes muss darauf geachtet werden, dass der Ringkern im Hinblick auf seine spröden Materialeigenschaften nicht beschädigt wird. Dafür wird der Steg in der Regel kleiner als die Öffnung dimensioniert, wodurch Luftspalte zwischen dem Steg und dem Ringkern entstehen. Diese Luftspalte stellen ein Hindernis für einen magnetischen Fluss zwischen Steg und Ringkern dar und verschlechtern die magnetischen Eigenschaften der entsprechenden Ringkernbaugruppe. Ringkernbaugruppen können beispielsweise auch in stromkompensierten Drosseln eingesetzt werden, wodurch sich die verschlechterten magnetischen Eigenschaften auch nachteilig auf die Leistungsfähigkeit der stromkompensierten Drossel auswirken.When inserting a web into the opening of the toroid core, care must be taken not to damage the toroid core due to its brittle material properties. To do this, the web is usually made smaller than the opening, which creates air gaps between the web and the toroid core. These air gaps represent an obstacle to magnetic flux between the web and the toroid core and impair the magnetic properties of the corresponding toroid core assembly. For example, toroid core assemblies can also be used in current-compensated chokes, whereby the impaired magnetic properties also have a detrimental effect on the performance of the current-compensated choke.
Die zu lösende Aufgabe besteht somit darin, eine Ringkernbaugruppe mit einer verbesserten magnetischen Kopplung zwischen dem Ringkern und dem in der Öffnung angeordneten Steg sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Ringkernbaugruppe bereitzustellen.The problem to be solved is therefore to provide a toroidal core assembly with an improved magnetic coupling between the toroidal core and the web arranged in the opening and a method for producing a toroidal core assembly.
Diese Aufgabe wird durch eine Ringkernbaugruppe nach Anspruch 1 sowie durch eine stromkompensierte Drossel nach Anspruch 11 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Ringkernbaugruppe gemäß Anspruch 16 gelöst.This object is achieved by a toroidal core assembly according to claim 1 and by a current-compensated choke according to claim 11 and a method for producing a toroidal core assembly according to claim 16.
Es wird demnach eine Ringkernbaugruppe vorgestellt, die einen eine Öffnung umschließenden Ringkern mit einer zur Öffnung hin ausgebildeten Innenfläche und eine in die Öffnung eingesetzte Steganordnung aus oder mit mindestens zwei Stegelementen mit jeweils einer ersten Seitenfläche und einer zweiten Seitenfläche aufweist, und bei der mindestens zwei der mindestens zwei Stegelemente mit den ersten Seitenflächen aufeinander liegen und mindestens zwei der mindestens zwei Stegelemente mit den zweiten Seitenflächen an verschiedenen Stellen an der Innenfläche anliegen, wobei mindestens zwei der Stegelemente die geometrische Form eines dreiseitigen und geraden Prismas aufweisen.Accordingly, a toroidal core assembly is presented which has a toroidal core enclosing an opening with an inner surface formed towards the opening and a web arrangement inserted into the opening made of or with at least two web elements, each with a first side surface and a second side surface, and in which at least two of the at least two web elements lie on top of one another with the first side surfaces and at least two of the at least two web elements lie on the inner surface with the second side surfaces at different points, wherein at least two of the web elements have the geometric shape of a three-sided and straight prism.
Zusätzlich wird ein Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Ringkernbaugruppe beschrieben, das ein Einsetzen von mindestens zwei Stegelementen mit jeweils einer ersten Seitenfläche und einer zweiten Seitenfläche in eine von einem Ringkern umschlossene Öffnung und ein relatives Verschieben der Stegelemente zueinander in der Öffnung umfasst, wobei die Stegelemente jeweils entlang der ersten Seitenflächen zueinander verschoben werden bis mindestens zwei der mindestens zwei Stegelemente mit jeweils der zweiten Seitenfläche an einer Innenfläche des Ringkernes anliegen.In addition, a method for producing a toroidal core assembly described above is described, which comprises inserting at least two web elements, each with a first side surface and a second side surface, into an opening enclosed by a toroidal core and displacing the web elements relative to one another in the opening, wherein the web elements are each displaced relative to one another along the first side surfaces until at least two of the at least two web elements each rest with the second side surface on an inner surface of the toroidal core.
Es wird zudem eine stromkompensierte Drossel mit einer oben beschriebenen Ringkernbaugruppe vorgestellt, wobei der Ringkern oder die Steganordnung mit zumindest einer Wicklung bewickelt ist.Furthermore, a current-compensated choke with a toroidal core assembly as described above is presented, wherein the toroidal core or the web arrangement is wound with at least one winding.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigt:
-
1 in Draufsicht eine erste beispielhafte Ringkernbaugruppe mit einer zweiteiligen Steganordnung in einer ersten Stellung, -
2 in Draufsicht die erste Ringkernbaugruppe in einer zweiten Stellung der zweiteiligen Steganordnung, -
3 in perspektivischer Ansicht die erste Ringkernbaugruppe in der Stellung nach2 , -
4 in Draufsicht und in perspektivischer Ansicht eine zweite beispielhafte Ringkernbaugruppe mit einer dreiteiligen Steganordnung, -
5 in Draufsicht und in perspektivischer Ansicht eine nicht zur Erfindung gehörende Ringkernbaugruppe mit einer Steganordnung aus zwei z-förmigen Stegelementen, -
6 in Draufsicht und in perspektivischer Ansicht eine dritte beispielhafte Ringkernbaugruppe mit einer Steganordnung aus zwei prismenförmigen Stegelementen, -
7 in Draufsicht und in perspektivischer Ansicht eine vierte beispielhafte Ringkernbaugruppe mit einer sternförmigen Steganordnung, -
8 in Draufsicht und in perspektivischer Ansicht eine weitere nicht zur Erfindung gehörende Ringkernbaugruppe mit einer kreuzförmigen Steganordnung, -
9 in Draufsicht und in perspektivischer Ansicht eine weitere nicht zur Erfindung gehörende Ringkernbaugruppe mit einer Steganordnung aus zwei quaderförmigen Stegelementen, -
10 eine Schnittansicht einer zu Illustrationszwecken gezeigten beispielhaften Ringkernbaugruppe mit einteiliger Steganordnung, -
11 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer Ringkernbaugruppe, -
12 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer beispielhaften kombinierten Gleichtakt-Gegentakt-Entstördrossel in einem EMV-Filter und -
13 in schematischer Darstellung eine beispielhafte kombinierte Drossel.
-
1 in plan view a first exemplary toroidal core assembly with a two-part web arrangement in a first position, -
2 in plan view the first toroidal core assembly in a second position of the two-part web arrangement, -
3 in perspective view the first toroidal core assembly in the position2 , -
4 in plan view and in perspective view a second exemplary toroidal core assembly with a three-part web arrangement, -
5 in plan view and in perspective view a toroidal core assembly not belonging to the invention with a web arrangement of two z-shaped web elements, -
6 in plan view and in perspective view a third exemplary toroidal core assembly with a web arrangement of two prism-shaped web elements, -
7 in plan view and in perspective view a fourth exemplary toroidal core assembly with a star-shaped web arrangement, -
8th in plan view and in perspective view a further toroidal core assembly not belonging to the invention with a cross-shaped web arrangement, -
9 in plan view and in perspective view a further toroidal core assembly not belonging to the invention with a web arrangement of two cuboid web elements, -
10 a sectional view of an exemplary toroidal core assembly with a one-piece web arrangement shown for illustration purposes, -
11 a flow chart of an exemplary method for producing a toroidal core assembly, -
12 an electrical equivalent circuit diagram of an exemplary combined common-mode/differential-mode interference suppression choke in an EMC filter and -
13 A schematic representation of an exemplary combined throttle.
Die Stegelemente 110 und 120 haben jeweils die Form eines dreiseitigen und geraden Prismas mit jeweils einer Grundfläche, einer Deckfläche und drei Mantelflächen, wobei das Stegelement 110 drei rechteckige Mantelflächen 111, 112 und 113 und das Stegelement 120 drei rechteckige Mantelflächen, 121, 122 und 123 aufweist. Bei einem geraden, dreiseitigen Prisma sind die Grundfläche und die Deckfläche jeweils dreieckförmig, wobei Grundfläche und Deckfläche kongruent zueinander sind. Der Abstand zwischen Grundfläche und Deckfläche wird als Höhe des Prismas bezeichnet. Die Mantelflächen 111, 112 und 113 des Stegelementes 110 und die Mantelflächen 121, 122 und 123 des Stegelementes 120 weisen eine erste Seitenlänge auf, die einer angrenzenden Seitenlänge der Dreiecke von Grundfläche (nicht dargestellt) und Deckfläche 114 und 124 entspricht. Die Mantelflächen 111, 112, 113, 121, 122 und 123 weisen bei einem geraden Prisma eine zur ersten Seitenlänge senkrecht verlaufende zweite Seitenlänge auf, die der Höhe des Prismas entspricht. Beispielsweise sind bei einem regelmäßigen, dreiseitigen und geraden Prisma die jeweiligen zweiten Seitenlängen der Mantelflächen 111, 112, 113, 121, 122 und 123 gleich lang. Bei einem dreiseitigen und geraden Prisma können die zweiten Seitenlängen der Mantelflächen 111, 112, 113, 121, 122 und 123 unterschiedlich lang sein.The
Sind die zweiten Seitenlängen der Mantelflächen am dreiseitigen und geraden Prisma ungleich lang, so wird die Mantelfläche des Prismas, dessen zweite Seitenlänge am längste ist, als erste Mantelfläche bezeichnet. Die Mantelfläche des Prismas, dessen zweite Seitenlänge am kürzesten ist, wird als zweite Mantelfläche oder als Stirnfläche bezeichnet. Die Mantelfläche des Prismas, dessen zweite Seitenlänge länger als die zweite Seitenlänge der zweiten Mantelfläche ist und dabei kürzer als die erste Seitenlänge der ersten Mantelfläche ist, wird als dritte Mantelfläche bezeichnet.If the second side lengths of the lateral surfaces of a three-sided and a right prism are unequal in length, the lateral surface of the prism whose second side length is the longest is called the first lateral surface. The lateral surface of the prism whose second side length is the shortest is called the second lateral surface or the front surface. The lateral surface of the prism whose second side length is longer than the second side length of the second lateral surface and is shorter than the first side length of the first lateral surface is called the third lateral surface.
Die Stegelemente 110 und 120 können in die Öffnung 102 eingesetzt werden, so dass die Grundflächen und die Deckflächen der Prismen senkrecht zur Längsachse 100 stehen. Es können dabei die Stegelemente 110 und 120 jeweils mit ihrer ersten Mantelfläche 111 und 121 aufeinanderliegen und Lotrechte der dritten Mantelflächen 112 und 122 (durch gestrichelte Linien dargestellt) in annähernd entgegengesetzte Richtungen zeigen. Die Stegelemente 110 und 120 sind so in der Öffnung 102 angeordnet, dass die dritten Mantelflächen in Richtung der Innenfläche 104 des Ringkernes 101 zeigen.The
Die Stegelemente 110 und 120 können über ihre ersten Mantelflächen 111 und 121 aneinander abgleiten und dadurch relativ zueinander verschoben werden, wodurch sich die Stegelemente 110 und 120 in der Öffnung 102 in Richtung der Innenfläche 104 bewegen. Durch dieses Verschieben kann der Abstand zwischen den zweiten Mantelflächen 112 und 122 vergrößert werden und die Stegelemente 110 und 120 in eine zweite Stellung verschoben werden, sodass auftretende Luftspalte 131 und 132 zwischen den zweiten Mantelflächen 112 und 122 und der Innenfläche 104 verringert bzw. minimiert werden.The
In
In den
Die prismenförmigen Stegelemente 410, 420 und 430 weisen jeweils eine Grundfläche, eine Deckfläche und drei rechteckförmige Mantelflächen auf. Die rechteckigen Mantelflächen weisen jeweils eine erste Seitenlänge, die der Höhe des Prismas entspricht und jeweils eine zweite Seitenlänge auf. Die Mantelfläche mit der längsten zweiten Seitenlänge wird hierin als erste Mantelfläche bezeichnet. Die Mantelfläche mit der kürzesten zweiten Seitenlänge wird als zweite Mantelfläche bezeichnet. Die verbleibende Mantelfläche der prismenförmigen Stegelemente 410, 420 und 430 wird jeweils als dritte Mantelfläche bezeichnet.The prism-shaped
Die Stegelemente 410, 420 und 430 werden in die Öffnung 402 eingesetzt und sind so zueinander angeordnet, dass sowohl ihre Grundflächen als auch ihre Deckflächen miteinander fluchten. Außerdem sind die Grundflächen und Deckflächen der prismenförmigen Stegelemente 410, 420 und 430 parallel zur Längsachse 400 orientiert. Das Stegelement 430 ist so zwischen den Stegelementen 410 und 420 angeordnet, dass eine erste Mantelfläche des Stegelementes 430 auf der ersten Mantelfläche des Stegelementes 410 und eine zweite Mantelfläche des Stegelementes 430 auf der ersten Mantelfläche des Stegelementes 420 aufliegt. Die Stegelemente 410 und 420 liegen dabei mit ihrer zweiten Mantelfläche an gegenüberliegenden Seiten der Innenfläche 405 an.The
Das Stegelement 430 kann wie ein Keil zwischen die Stegelemente 410 und 420 gedrückt werden, wodurch das prismenförmige Stegelement 430 mit seiner ersten und seiner zweiten Mantelfläche entlang der ersten Mantelflächen der Stegelemente 410 und 420 abgleitet wird. Durch dieses Abgleiten liegen die Stegelemente 410 und 420 beim Einsetzen des Stegelementes 430 in die Öffnung 402 an der Innenfläche 405 des Ringkernes 401 an und die Steganordnung wird in der Öffnung 402 fixiert.The
Die prismenförmigen Stegelemente 410, 420 und 430 können so modifiziert werden, dass sich die eingesetzten Stegelemente selbst gegen Herausfallen aus der Öffnung 402 hemmen. Dazu kann das Stegelement 430 die Form eines dreiseitigen und geraden Prismas aufweisen, bei dem die Grundfläche und die Deckfläche die Form eines gleichschenkligen Dreieckes haben und eine erste Mantelfläche und eine zweite Mantelfläche einen Winkel zwischen 5° und 150° einschließen. In entsprechender Weise können auch die Stegelemente 410 und 420 an die Form des Stegelementes 430 angepasst werden, wobei der eingeschlossene Winkel zwischen einer ersten und einer zweiten Mantelfläche der Stegelemente 410 und 420 entsprechend der Form des Stegelementes 430 verkleinert werden kann. Die beschriebene Selbsthemmung wird durch den spitzen Winkel zwischen der ersten Mantelfläche und der zweiten Mantelfläche des Stegelementes 430 erreicht. In diesem Fall wirkt das Stegelement 430 gegenüber den Stegelementen 410 und 420 wie ein spitz zulaufender Keil. Bei einem solchen spitz zulaufenden Keil ist die Reibkraft zwischen jeweils einer ersten und einer zweiten Mantelfläche des Stegelements 430 und einer ersten Mantelflächen der Stegelemente 410 und 420 größer als eine Kraft, die parallel zur Längsachse 400 und entgegen der Stegelemente 410 und 420 auf das Stegelement 430 wirkt und ansonsten das Stegelement 430 aus der Öffnung 402 drückt.The prism-shaped
Die x-förmige Steganordnung weist zwei Stegelemente 510 und 520 auf, die in Draufsicht jeweils annähernd die Form eines Z-Profils aufweisen. Die Stegelemente 510 und 520 können baugleich sein. Die Z-Profile weisen jeweils einen ersten Flansch 511 und 521 und einen zweiten Flansch 512 und 522 auf, die über jeweils einen Mittelsteg 513 und 523 miteinander verbunden sind. Eine Breite des Z-Profils, die einer Ausdehnung des Profils in Richtung der Längsachse 500 entspricht, kann betragsmäßig einer Höhe des Ringkernes 501 entsprechen.The x-shaped web arrangement has two
Die Stegelemente 510 und 520 können im Bereich ihres Mittelsteges 513 und 523 jeweils eine Nut aufweisen, die sich über die halbe Breite des Z-Profils erstreckt. Die Stegelemente 510 und 520 können durch Ineinanderstecken der beiden Nuten so miteinander verbunden werden, dass sie sich über ihre Mittelstege 513 und 523 zueinander und um die Längsachse 500 drehen lassen. Die Kinematik der Stegelemente 510 und 520 lässt sich mit derjenigen einer Schere mit zwei beweglichen Klingen vergleichen. Die Stegelemente 510 und 520 entsprechen dabei den beiden Klingen, die um eine Achse zueinander drehbar sind. Im vorliegenden Fall entspricht die Achse der Längsachse 500.The
Zum Einsetzen der Stegelemente 510 und 520 in die Öffnung 502 können die Stegelemente 510 und 520 so zueinander verdreht werden, dass jeweils ein erster Flansch 511 und 521 flächensymmetrisch zu einem zweiten Flansch 512 und 522 orientiert ist. Nach dem Einsetzen können die Stegelemente in entgegengesetzte Richtung um die Längsachse 500 gedreht werden, so dass jeweils ein Stegelement 510 oder 520 mit dem ersten Flansch 511, 521 und mit dem zweiten Flansch 512, 522 an gegenüberliegenden Seiten der Öffnung 502 an der Innenfläche 503 anliegt. Die Stegelemente 510 und 520 können an Kontaktbereichen mit der Innenfläche 503 beispielsweise durch Abschrägen von Kanten an die Kontur der Innenfläche 503 angepasst sein.To insert the
Die Steganordnung umfasst Stegelemente 610 und 620, die jeweils die Form eines regelmäßigen, dreiseitigen und geraden Prismas aufweisen. Die Stegelemente 610 und 620 sind so im Langloch 602 angeordnet, dass sie mit jeweils einer ersten Mantelfläche aufeinander liegen und die Grundflächen und die Deckflächen parallel zur Längsachse 600 im Langloch 602 verlaufen. Die Stegelemente 610 und 620 können mit jeweils einer zweiten Mantelfläche an gegenüberliegenden Seiten der Innenfläche 603 des Ringkernes 601 anliegen, wobei die zweiten Mantelflächen in entgegengesetzter Richtung voneinander orientiert sind und Lotrechte der zweiten Mantelflächen parallel zueinander verlaufen.The web arrangement comprises
Befinden sich die Stegelemente 610 und 620 im Langloch 602, so können sie so gegeneinander verschoben werden, dass die ersten Mantelflächen aneinander abgleiten und die Stegelemente 610 und 620 mit den zweiten Mantelflächen an der Innenfläche 603 des Ringkernes 601 anliegen. Die Stegelemente 610 und 620 können dazu jeweils entlang der Längsachse 600 und aufeinander zu verschoben werden.If the
In die Öffnung 702 kann eine in Draufsicht sternförmige Steganordnung eingesetzt werden, die Stegelemente 710, 720, 730 und 740 umfasst. Das Stegelement 740 kann drei Schenkel 741, 742 und 743 aufweisen, wobei zwischen zwei in Bezug auf die Längsachse 700 benachbarte Schenkel ein Winkel von 120° eingeschlossen ist. Die Schenkel 741, 742 und 743 sind somit gleichmäßig um die Längsachse 700 verteilt und erstrecken sich ausgehend von der Längsachse 700 senkrecht zu dieser in Richtung der Innenfläche 703. Die Schenkel 741, 742 und 743 weisen an der der Unterseite 751 zugewandten Seite des Ringkernes 701 Seitenflächen auf, deren Lotrechte mit der Längsachse 700 jeweils einen 45° Winkel einschließen.A web arrangement which is star-shaped in plan view and comprises
Die Stegelemente 710, 720 und 730 der Steganordnung können annähernd die geometrische Form eines regelmäßigen, dreiseitigen und geraden Prismas aufweisen und baugleich sein, wobei jeweils eine Seitenfläche der Stegelemente 710, 720 und 730, welche der Innenfläche 703 des Ringkernes zugewandt ist, geometrisch an die Kontur der Innenfläche 703 des Ringkernes 701 angepasst ist. Beispielsweise können die der Innenfläche 703 zugewandten Seitenflächen der Stegelemente 710, 720 und 730 gekrümmte Seitenflächen sein. Die Stegelemente 710, 720 und 730 werden so in den Ringkern 701 eingelegt, dass die Seitenflächen der Stegelemente 710, 720 und 730, die in Richtung der Oberseite 750 orientiert sind, zur Unterseite 751 und zur Längsachse 700 des Ringkernes 701 hin abfallen. Die drei Stegelemente 710, 720 und 730 sind in einem Winkel von jeweils 120° zur Längsachse 700 des Ringkernes angeordnet und sind annähernd komplementär zu den abgeschrägten Schenkeln des Stegelementes 740.The
Beim Einsetzen des Stegelementes 740 in die Öffnung gleiten die Stegelemente 710, 720 und 730 mit jeweils einer Seitenfläche an einem der abgeschrägten Schenkel des ersten Stegelementes 740 ab. Durch Eindrücken des Stegelementes 740 in die Öffnung des Ringkerns 701 werden die Stegelemente 710, 720 und 730 gegen eine Innenfläche 703 des Ringkernes 701 gedrückt, die Steganordnung dadurch zusammengesetzt und im Ringkern 701 fixiert.When the
Jedes Stegelement 810, 820, 830 und 840 hat eine erste Seitenfläche, eine zweite Seitenfläche und zwei Stirnflächen. Die erste und die zweite Seitenfläche der Stegelemente 810, 820, 830 und 840 sind jeweils die äußeren Schenkelflächen der L-förmigen Stegelemente 810, 820, 830 und 840, die bei einem Rechteckprofil einen Winkel von 270° einschließen. In der Öffnung 802 sind die Stegelemente 810, 820, 830 und 840 so angeordnet, dass eine erste Seitenfläche eines jeden Stegelementes 810, 820, 830 und 840 einer zweiten Seitenfläche eines weiteren Stegelementes 810, 820, 830 und 840 gegenüberliegt. Eine erste Seitenfläche eines Stegelementes und eine zweiten Seitenfläche eines weiteren Stegelementes 810, 820, 830 und 840 könne in einem Abstand 843 voneinander angeordnet sein, wodurch die Stegelemente 810, 820, 830 und 840 auch im Bereich der Längsachse 800 des Ringkernes 801 nicht direkt aneinander liegen.Each
Das Stegelement 850 kann ein Stab sein, der so in die Öffnung 802 eingebracht ist, dass die Längsachse des Stabes mit der Längsachse 800 zusammenfällt und das Stegelement 850 zwischen den Stegelementen 810, 820, 830 und 840 angeordnet ist. Der Stab kann an seinen beiden Enden angefast sein oder entlang seiner Längsachse konisch zulaufen. Durch die angefaste oder konische Form des Stabes wird ein Eintreiben des Stabes in die Öffnung 802 und zwischen die Stegelemente 810, 820, 830 und 840 erleichtert. Nach dem Einsetzen des Stabes zwischen die Stegelemente 810, 820, 830 und 840 in der Öffnung 802 liegen die Stegelemente 810, 820, 830 und 840 mit ihren Stirnflächen an der Innenfläche 803 an.The
Jedes der Stegelemente 910 und 920 weist eine erste Seitenfläche und eine zur ersten Seitenfläche senkrecht angeordnete zweite Seitenfläche auf, wobei die erste Seitenfläche eine deutlich größere Fläche als die zweite Seitenfläche aufweisen kann. In der Öffnung 902 liegen die quaderförmigen Stegelemente 910 und 920 mit ihren ersten Seitenflächen zumindest teilweise aufeinander. Die Seitenflächen der Stegelemente 910 und 920 verlaufen parallel zur Längsachse 900 und die beiden Stegelemente 910 und 920 sind in der Öffnung 902 senkrecht zur Längsachse 900 übereinander gestapelt. Die Stegelemente 910 und 920 können in der Öffnung 902 entlang ihrer ersten Seitenflächen aneinander abgleiten und so zueinander verschoben werden, dass die zweiten Seitenflächen an der Innenfläche 903 anliegen.Each of the
Die beschriebenen Ringkernbaugruppen weisen jeweils einen Ringkern und eine Steganordnung auf, die zwei oder mehrere Stegelemente aufweist. Diese Stegelemente und damit auch die Steganordnung schneiden eine Längsachse des Ringkernes und teilen dadurch eine Öffnung des Ringkerns in zumindest zwei Sektoren. Im Bereich eines jeden dieser Sektoren kann der Ringkern mit beispielsweise einer Wicklung mit einer oder mehreren Windungen bewickelt werden.The toroidal core assemblies described each have a toroidal core and a web arrangement which has two or more web elements. These web elements and thus also the web arrangement intersect a longitudinal axis of the toroidal core and thereby divide an opening of the toroidal core into at least two sectors. In the area of each of these sectors, the toroidal core can be wound with, for example, a winding with one or more turns.
In Abhängigkeit der Anzahl an Sektoren ergeben sich Ringkernbaugruppen für ein oder mehrphasige Drosseln. Die Ringkernbaugruppen der
Die Steganordnung kann eine Länge 1011 mit einer Toleranz von +/- 0,3mm aufweisen. Der Durchmesser 1030 kann eine Toleranz von +/- 0,2mm aufweisen und die Breiten 1021 und 1022 der Luftspalte betragen bei einer solchen Ringkernbaugruppe mit einteiliger Steganordnung 1010 als Montagetoleranz zum Fügen mindestens 0,6mm (je 0,3mm). Für die Breiten 1021 und 1022 der Luftspalte ergibt sich somit zusammen eine Toleranz zwischen 0,6mm und 1,6mm. Die Toleranz beinhaltet neben Herstellungstoleranzen von Ringkern und Steganordnung beispielsweise auch, dass die Außengeometrie der einteiligen Steganordnung 1010 nicht an die Geometrie einer Innenfläche 1003 des Ringkernes 1001 angepasst ist.The web arrangement can have a
Die in den
Die beschriebenen Stegelemente können niederpermeables Magnetmaterial, wie Metallpulver, Ferrit oder Eisenpulver aufweisen. Alternativ dazu können die Stegelemente auch Laminate oder Folienpakete aus amorphem oder nanokristallinem Bandmaterial oder zugspannungsinduziertes nanokristallines Material aufweisen. Das Material der Stegelemente kann eine Permeabilität zwischen 10 und 200 oder zwischen 10 und 1000 aufweisen. Die Wicklungen der beschriebenen Drosseln können beispielsweise aus Kupferleitern wie etwa isoliertem Kupferdraht sein.The web elements described can comprise low-permeability magnetic material, such as metal powder, ferrite or iron powder. Alternatively, the web elements can also comprise laminates or foil packages made of amorphous or nanocrystalline strip material or tensile stress-induced nanocrystalline material. The material of the web elements can have a permeability between 10 and 200 or between 10 and 1000. The windings of the described chokes can be made of copper conductors, such as insulated copper wire, for example.
Die Stegelemente der beschriebenen Ringkernbaugruppen können sowohl miteinander als auch jeweils mit dem Ringkern zumindest stoffschlüssig, kraftschlüssig oder formschlüssig verbunden sein. Insbesondere können zumindest die Stegelemente miteinander oder zumindest ein Teil der Stegelemente mit dem Ringkern verklebt sein, wobei kleinere, noch verbleibende Luftspalte zwischen Steganordnung und Ringkern vom Klebstoff ausgefüllt werden.The web elements of the described toroidal core assemblies can be connected to each other and to the toroidal core at least in a materially bonded, force-fitted or form-fitted manner. In particular, at least the web elements can be glued to each other or at least some of the web elements can be glued to the toroidal core, with smaller, remaining air gaps between the web arrangement and the toroidal core being filled with the adhesive.
Alle beschriebenen Ringkernbaugruppen und Drosseln können in ein Gehäuse eingelegt werden, wobei das Gehäuse ein ein- oder mehrteiliges Kunststoffgehäuse sein kann mit beispielsweise einem Gehäuseunterteil und einem Gehäuseoberteil. Ein Ringkern oder zumindest ein Stegelement kann mit zumindest einem Teil des Gehäuses beispielsweise durch Verkleben verbunden sein, wobei beim Zusammensetzen des Gehäuses dann zumindest ein Stegelement in die Öffnung mit eingebracht werden kann.All of the toroidal core assemblies and chokes described can be placed in a housing, whereby the housing can be a one-part or multi-part plastic housing with, for example, a lower housing part and an upper housing part. A toroidal core or at least one web element can be connected to at least part of the housing, for example by gluing, whereby at least one web element can then be introduced into the opening when the housing is assembled.
Umfasst die Steganordnung ein oder mehrere Stegelemente, so kann ein erstes Stegelement jeweils relativ zu einem zweiten und einem dritten Stegelementen verschoben werden, so dass das zweite und das dritte Stegelement mit jeweils einer Seitenfläche an der Innenfläche des Ringkernes anliegen.If the web arrangement comprises one or more web elements, a first web element can be displaced relative to a second and a third web element, so that the second and the third web element each rest with a side surface on the inner surface of the toroidal core.
Die Gegentaktdrossel 1210 ist im Ersatzschaltbild in Reihe zur Gleichtaktdrossel 1220 geschaltet und beide werden dabei von einem gemeinsamen Laststrom durchflossen. Das Magnetmaterial einer in der Drossel verbauten Ringkernbaugruppe kann so gewählt sein, dass der Laststrom die Ringkernbaugruppe nicht in Sättigung bringt. Die Dämpfung des Störstromes wird durch die Induktivität bzw. Impedanz der Gegentaktdrossel 1210 bewirkt. Sofern der Laststrom das Magnetmaterial nicht in Sättigung bringt, bleibt insbesondere für hochfrequente Störströme diese Impedanz erhalten.In the equivalent circuit diagram, the differential-
Die Gleichtaktdrossel 1220 umfasst eine Ringkernbaugruppe und eine oder mehrere Wicklungen beispielsweise mit jeweils einer oder mehreren Windungen. Die Ringkernbaugruppe kann eine der in Verbindung mit den
Die Gleichtaktdrossel 1210 und die Gegentaktdrossel 1220 sind in dem dargestellten Ersatzschaltbild zwei verschiedene Funktionseinheiten. Eine Verringerung der Gleichtaktstörungen und der Gegentaktstörungen ist dabei umso effektiver möglich, je niedriger die charakteristischen Impedanzen der Anwendung in Bezug zu den Impedanzen der Gleichtaktdrossel 1210 und der Gegentaktdrossel 1220 sind. Zu den charakteristischen Impedanzen sind zum Beispiel der Wellenwiderstand, der Quellenwiderstand und der Abschlusswiderstand zu zählen.The
Wie bereits dargelegt wurde, reicht die Streuinduktivität der Gleichtaktdrossel meist nicht aus, um dadurch zusätzlich die Funktionalität einer Gegentaktdrossel zu erreichen. In
Über die beiden Wicklungen 1320 und 1330 wird ein Laststrom gegensinnig geleitet, der zur Ausbildung weitgehend sich aufhebender magnetischer Felder in der Ringkernbaugruppe führt. Die magnetische Feldstärke Hload des magnetischen Feldes weist in der Nähe einer Wicklung eine Orientierung im Uhrzeigersinn und in der Nähe der anderen Wicklung eine Orientierung gegen den Uhrzeigersinn auf. Dadurch heben sich die magnetischen Felder in etwa auf und es ergibt sich in Folge eine resultierende magnetische Feldstärke von annähernd null. Das bedeutet eine geringe Induktivität für den Laststrom.A load current is conducted in opposite directions through the two
Neben dem Laststrom kann auch ein oder mehrere Störströme die Ausbildung des magnetischen Feldes in der Ringkernbaugruppe beeinflussen. Bei getakteten Schaltungen treten Störströme als Laststrom-Ripple oder als Gleichtaktstrom auf. Die dadurch verursachte magnetische Feldstärke Hnoise kann in Teilwicklungen innerhalb der Ringkernbaugruppe gleich- oder gegenphasig vorliegen. Im Fall von „gleichphasig“ ist sie in einer Richtung orientiert, dass bedeutet die Ringkernbaugruppe hat eine hohe Induktivität für den Störstrom. Im Fall von „gegenphasig“ sind die Störströme wie der Laststrom gerichtet, die resultierende Feldstärke ist nahezu Null (Kompensation), daher werden sie wie der Laststrom von der Gleichtaktdrossel nicht wesentlich beeinflusst. Für deren Dämpfung ist die Gegentaktdrossel vorgesehen. Diese wird aus der Streuinduktivität - verstärkt durch den magnetischen Mittelsteg - gebildet.In addition to the load current, one or more interference currents can also cause the formation of the magnet ic field in the toroidal core assembly. In clocked circuits, interference currents occur as load current ripple or as common-mode current. The magnetic field strength H noise caused by this can be in phase or antiphase in partial windings within the toroidal core assembly. In the case of "in phase", it is oriented in one direction, which means that the toroidal core assembly has a high inductance for the interference current. In the case of "antiphase", the interference currents are directed like the load current, the resulting field strength is almost zero (compensation), and therefore, like the load current, they are not significantly influenced by the common-mode choke. The differential-mode choke is provided for its attenuation. This is formed from the stray inductance - amplified by the magnetic center bar.
Damit eine kombinierte Gleichtakt-Gegentakt-Drossel effektiv gegenüber Gleichtaktstörungen und Gegentaktstörungen wirken kann, sind hohe Anforderungen an die Herstellung einer solchen kombinierten Drossel zu stellen. Dies gilt insbesondere für die Reduktion der Luftspalte zwischen dem Ringkern 1301 und der Steganordnung 1310. Sie haben einen erheblichen Einfluss auf die effektive Permeabilität des Gegentakt-Drosselkreises. Durch den Einsatz einer Ringkernanordnung, wie in Verbindung mit den
Die effektive Permeabilität des Gegentakt-Magnetkreises eines der beschriebenen Ringkerne errechnet sich näherungsweise nach folgender Gleichung:
In dieser Gleichung entspricht µmat der Permeabilität des Materials der Steganordnung, wobei der Wert dem Permeabilitätswert entspricht, der bei einer Induktivitätsmessung an einem geschlossenen Ringkern aus diesem Material ermittelt wurde. Die aufsummierte Länge der Luftspalte gap zwischen Ringkern und Steganordnung ist mit dgap bezeichnet. Der Ringkern wirkt dabei bei gegensinnigen Störströmen wie ein magnetischer Kurzschluss. Daraus folgt, dass die effektive Eisenweglänge LFe der Länge der Steganordnung entspricht.In this equation, µ mat corresponds to the permeability of the material of the web arrangement, whereby the value corresponds to the permeability value determined in an inductance measurement on a closed toroidal core made of this material. The total length of the air gap gap between the toroidal core and the web arrangement is designated d gap . The toroidal core acts like a magnetic short circuit in the case of opposing interference currents. It follows that the effective iron path length L Fe corresponds to the length of the web arrangement.
Aus obiger Gleichung ist zudem der Zusammenhang zwischen der Größe der Luftspalte und der erreichbaren Permeabilität einer Ringkernbaugruppe zu ersehen und die Vorteile von reduzierten Luftspalten im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit einer kombinierten Gleichtakt-Gegentakt-Drossel zu ersehen. Soll die effektive Permeabilität µeff-Werte im Bereich der Materialpermeabilität der Steganordnung aufweisen, so müssen die Luftspalte entsprechend klein sein. Dadurch ergibt sich die gewünschte Streuung der Induktivität für den Gegentakt-Magnetkreis. Um die Induktivität des Gegentakt-Magnetkreises um den Faktor 2 bis 5 gegenüber der Streuinduktivität des Gleichtakt-Magnetkreises zu steigern, sollte die Summe aus beiden Luftspalten wesentlich kleiner als 1 mm sein.The above equation also shows the relationship between the size of the air gaps and the achievable permeability of a toroidal core assembly and the advantages of reduced air gaps with regard to the performance of a combined common-mode/differential-mode choke. If the effective permeability µ eff values are to be in the range of the material permeability of the web arrangement, the air gaps must be correspondingly small. This results in the desired dispersion of the inductance for the differential-mode magnetic circuit. In order to increase the inductance of the differential-mode magnetic circuit by a factor of 2 to 5 compared to the leakage inductance of the common-mode magnetic circuit, the sum of the two air gaps should be significantly smaller than 1 mm.
Das Erfordernis von möglichst geringen Luftspalten ist anhand des folgenden Rechenbeispiels erkennbar. Setzt man in Gleichung eine LFe = 30mm, eine µmat = 26 und eine µeff = 15 bis 26 ein, so ergibt sich für jeden Luftspalt eine maximale Größe von 180µm. Die maximale Größe von 360µm für beide Luftspalte kann sich anteilsmäßig auf beide Luftspalte verteilen.The need for air gaps that are as small as possible can be seen from the following calculation example. If you insert an L Fe = 30mm, a µ mat = 26 and a µ eff = 15 to 26 into the equation, this results in a maximum size of 180µm for each air gap. The maximum size of 360µm for both air gaps can be distributed proportionally between both air gaps.
Die erreichten Herstellungstoleranzen für Ringkerne und auch die Herstellungstoleranz für einteilige Steganordnungen führen beim Einsatz von einteiligen Steganordnungen zu einer zu erwartenden Größe der Luftspalte von 1 mm bis 1,5mm. Für die Summe aus beiden Luftspalten ergibt sich somit eine maximale Größe von bis zu 3mm. Eingesetzt in Gleichung 1 ergibt das einen Wert für µeff zwischen 7 und 26, der einer Induktivität entspricht, die gegenüber der vorhandenen Streuinduktivität vernachlässigbar ist.The manufacturing tolerances achieved for toroidal cores and also the manufacturing tolerance for one-piece web arrangements lead to an expected size of the air gaps of 1 mm to 1.5 mm when using one-piece web arrangements. The sum of both air gaps therefore results in a maximum size of up to 3 mm. Used in equation 1, this results in a value for µ eff between 7 and 26, which corresponds to an inductance that is negligible compared to the existing stray inductance.
Der Einsatz einer Ringkernbaugruppe nach einer der
Nimmt der Eisenquerschnitt ab, so nehmen auch die erreichbaren Werte von µeff ab. Bei zwei- und mehrteiligen Steganordnungen wird dieser Effekt aber durch die Reduktion der Luftspalte zwischen Ringkern und Steganordnung wieder annähernd kompensiert, da sie zu einer Erhöhung der Werte von µeff führt.If the iron cross-section decreases, the achievable values of µ eff also decrease. However, in two-part and multi-part web arrangements, this effect is almost compensated by the reduction of the air gaps between the toroidal core and the web arrangement, as this leads to an increase in the values of µ eff .
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Legal Events
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division |